JP2023540725A - 電池パックおよびこれを含むデバイス - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施形態による電池パックは複数の電池モジュール、および前記複数の電池モジュールを収納するパックケースを含み、前記パックケースは上部ケースを含み、前記上部ケースと接触するように形成された放熱部材をさらに含む。
Description
関連出願との相互引用
本出願は2021年4月27日付韓国特許出願第10-2021-0054358号および2022年4月18日付韓国特許出願第10-2022-0047510号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は2021年4月27日付韓国特許出願第10-2021-0054358号および2022年4月18日付韓国特許出願第10-2022-0047510号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は電池パックおよびこれを含むデバイスに関するものであって、より具体的には熱接触抵抗を最少化する電池パックおよびこれを含むデバイスに関するものである。
現代社会では携帯電話機、ノートパソコン、キャムコーダー、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化するにつれて、前記のようなモバイル機器関連分野の技術に対する開発が活発になっている。また、充放電の可能な二次電池は化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方案であって、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(P-HEV)などの動力源として用いられているところ、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。
現在商用化された二次電池としてはニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあり、このうちのリチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらなくて充放電が自由であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いという長所で脚光を浴びている。
このようなリチウム二次電池は主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを挟んで配置された電極組立体、および電極組立体を電解液と共に密封収納する電池ケースを備える。
一般に、リチウム二次電池は、外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に内装されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内装されているパウチ型二次電池に分類することができる。
小型機器に用いられる二次電池の場合、二つ~三つの電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに用いられる二次電池の場合は、複数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール(Battery module)が用いられる。このような電池モジュールは複数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成することによって容量および出力が向上する。また、一つ以上の電池モジュールは、BMS(Battery Management System)、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
電池パックは複数の電池モジュールが組み合わせられた構造からなっているため、一部電池モジュールが過電圧、過電流または過発熱する場合には電池パックの安全性と作動効率が問題になることがある。また、電池パックが搭載される電気自動車などの走行距離向上のために電池パック容量は次第に増加する傾向にあり、それにつれてパック内部エネルギーも増加する中で強化される安全性基準を満足し車両および運転者の安全性確保のために、モジュール内発火時、安全性向上のための構造の設計が必要である。
特に、電池パック内の電池モジュールに発火状況が発生する場合、熱転移を遮断し熱エネルギーを速やかに移動させることができる構造の必要性が台頭している。しかし、前記構造を形成することにおいて、熱エネルギーの移動経路を成す構造の間の接触抵抗によって熱エネルギー移動が円滑に行われない問題が発生することがある。したがって、熱接触抵抗を最少化しながらも熱エネルギーを迅速に移動させることができる熱エネルギー移動構造の開発必要性がある。
本発明の解決しようとする課題は、熱接触抵抗を最少化する電池パックおよびこれを含むデバイスを提供するためのことである。
しかし、本発明が解決しようとする課題が上述の課題に制限されるわけではなく、言及されていない課題は本明細書および添付された図面から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。
本発明の一実施形態による電池パックは複数の電池モジュール、および前記複数の電池モジュールを収納するパックケースを含み、前記パックケースは上部ケースを含み、前記上部ケースと接触するように形成された放熱部材をさらに含む。
前記放熱部材は陥没部を含み、前記陥没部には冷却パッドを形成することができる。
前記冷却パッドは前記陥没部に嵌め合い結合され、前記冷却パッドは前記陥没部と同一の大きさに形成することができる。
前記冷却パッドは、シリコン系またはアクリル系素材から形成することができる。
前記放熱部材は直角に折り曲げられ、前記放熱部材が前記上部ケースと接する前記放熱部材の一面の領域中、陥没部以外の領域に複数の締結部をさらに含むことができる。
前記締結部で結合されるボルト部材およびナット部材をさらに含み、前記ナット部材は前記締結部の下端に位置して結合される。
前記ボルト部材およびナット部材が結合された時、前記ナット部材が上昇し前記放熱部材は前記上部ケースに密着することになる。
前記電池モジュールはモジュールフレームを含み、前記モジュールフレームは上部フレームおよび側面フレームを含み、前記放熱部材は前記上部フレームおよび側面フレームと接してもよい。
前記放熱部材は、前記複数の電池モジュールのうちの隣接する電池モジュールの間に形成することができる。
前記放熱部材は複数形成され、前記複数の放熱部材が前記電池モジュールの側面フレームと接する面の他面は互いに対向するように形成することができる。
前記放熱部材は、互いに連結されている第1フレームおよび第2フレームを含み、前記第1フレームの内面と前記第2フレームの内面が互いに対面するように折られているフレーム部材、前記第1フレームの外面に付着されている第1断熱部材、前記第2フレームの外面に付着されている第2断熱部材、前記第1フレームの内面と前記第2フレームの内面の間に位置する中央断熱部材、前記第1フレームの内面と前記中央断熱部材の間に位置する第1熱分散部材、および前記第2フレームの内面と前記中央断熱部材の間に位置する第2熱分散部材を含むことができる。
本発明の他の一実施形態によるデバイスは、前記で説明した電池パックを含む。
本発明の一実施形態による電池パックは、新規な形態の熱エネルギー移動構造によって、電池パック内発火時、熱エネルギーを速やかにパックフレームおよびパック外部に伝達することができる。また、熱エネルギー移動構造の熱接触抵抗を最少化することによって熱エネルギー移動効率を高め、電池パックの安全性を向上させることができる。
本発明の効果が上述の効果に制限されるわけではなく、言及されていない効果は本明細書および添付された図面から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように本発明の実施形態について詳しく説明する。しかし、本発明は様々の異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一な参照符号を付けるようにする。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。図面において様々の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部層および領域の厚さを誇張して示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分“の上に”または“上に”あるという時、これは他の部分“の直上に”ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分“の直上に”あるという時には中間に他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分“の上に”または“上に”あるというのは基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって“の上に”または“上に”位置することを意味するのではない。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を“含む”という時、これは特に反対になる記載がない限り他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。
また、明細書全体で、“平面上”という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、“断面上”という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。
本出願で使用される第1、第2用語は多様な構成要素を説明するのに使用することができるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。
以下、本発明の実施形態による電池パックについて説明する。但し、ここで電池パックの一部構成要素を基準にして説明されるが、必ずしもこれに限定されるのではなく、電池パックの全体を基準にして同一であるか類似の内容で説明されることもある。
図1は、本発明の一実施形態による電池パックの斜視図である。図2は、図1の電池パックに形成される放熱部材を示した斜視図である。図3は、図1の電池パックに含まれる電池モジュールを示した斜視図である。図4は、図3の電池モジュールに含まれる電池セルを示した斜視図である。
図1および図2を参照すれば、本発明の一実施形態による電池パック100は、複数の電池モジュール110および前記複数の電池モジュール110を収納するパックケース150を含み、パックケース150は上部ケース150aを含み、上部ケース150aと接触するように形成された放熱部材200をさらに含む。
この時、図3を参照すれば、複数の電池モジュール110は複数の電池セル111を含むことができる。より具体的に、複数の電池セル111が予め設定された方向に沿って積層された後、モジュールフレーム118に装着されて電池モジュール110を構成することができる。また、複数の電池セル111はその種類に特別な制限がないのでパウチ型二次電池または角型二次電池であってもよいが、パウチ型二次電池であるのが好ましい。
例えば、図4を参照すれば、本実施形態による電池セル111は、二つの電極リード116、117が互いに対向してセル本体113の一端部114aと他の一端部114bからそれぞれ突出している構造を有する。より詳しくは、電極リード116、117は電極組立体(図示せず)と連結され、電極組立体(図示せず)から電池セル111の外部に突出する。
一方、電池セル111は、セルケース114に電極組立体(図示せず)を収納した状態でセルケース114の両端部114a、114bとこれらを連結する一側部114cを接着することによって製造することができる。言い換えれば、本実施形態による電池セル111は総3ケ所のシーリング部114sa、114sb、114scを有し、シーリング部114sa、114sb、114scは熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、他の一側部はベンディング部115からなり得る。セルケース114は樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなり得る。
また、ベンディング部115は電池セル111の一縁に沿って長く伸びており、ベンディング部115の端部にはバットイヤー(bat-ear)と呼ばれる電池セル111の突出部111pを形成することができる。電池セル111は複数個で構成することができ、複数の電池セル111が積層されながら相互電気的に連結される。
図5は、図3の電池モジュール上に形成される放熱部材および冷却パッドを示した斜視図である。図6は、本発明の放熱部材の締結部結合構造を示した図である。
図5を参照すれば、本発明の電池パック100に含まれる電池モジュール110はモジュールフレーム118を含み、モジュールフレーム118は上部フレーム130および側面フレーム140を含むことができる。この時、放熱部材200は電池モジュール110の上部フレーム130および側面フレーム140と接することによって、電池モジュール内発火時、電池モジュールで発生した熱エネルギーを迅速に電池パック100の上部ケース150aおよびパックケース150に伝達することができる。伝達された熱は外部に放出できる。
また、放熱部材200は複数の電池モジュール110のうちの隣接する電池モジュール110の間に形成することができ、前記隣接する電池モジュール110の間に単数個または複数個形成することができる。複数個形成された放熱部材200はそれぞれの放熱部材200が電池モジュール110の側面フレーム140と接する面の他面が互いに対向するように形成することができ、前記他面は接するように形成することができる。また、前記他面の間に固定部材などが追加的に形成されて複数個の放熱部材200が互いに固定されるように形成されてもよい。
一方、図2、図3、および図5を参照すれば、本発明の一実施形態による電池パック100に含まれる放熱部材200は陥没部250を含み、陥没部250には冷却パッド300を形成することができる。冷却パッド300は圧縮性冷却パッドであってもよい。冷却パッド300は陥没部250に嵌め合い結合することができ、したがって、冷却パッド300は陥没部250と同一の大きさに形成することができる。
また、冷却パッド300の厚さは、陥没部250の深さと同一に形成することができる。さらに、冷却パッド300は圧縮性冷却パッドから形成することができ、後述のボルト部材およびナット部材によって上部ケース150aに密着するので、陥没部250の深さより厚く形成されてもよい。
冷却パッド300は、シリコン系またはアクリル系素材から形成することができる。具体的に、冷却パッドはシリコンパッド、シリコンゴムパッド、シリコンポリマーパッドなどであってもよく、アクリルパッド、アクリルポリマーパッドなどであってもよいが、これに制限されるわけではない。
本実施形態による放熱部材200の陥没部250上に冷却パッド300を形成し、冷却パッド300は圧縮性冷却パッドから形成されて、放熱部材200と上部ケース150a上の熱接触抵抗を最少化し、密着度を高めることはもちろん、追加的な冷却構造を形成して電池パック内発火熱エネルギーの迅速な外部放出を可能にすることができる。
また、図2および図6を参照すれば、本発明の放熱部材200は直角に折り曲げられ、放熱部材200が上部ケース150aと接する放熱部材200の一面の領域中、陥没部250以外の領域には複数の締結部270をさらに含むことができる。
特に、複数の締結部270を通じて上部ケース150aと放熱部材200および上部ケース150aと冷却パッド300間の密着が起こることになる。前記密着を効果的に形成するために、本実施形態による電池パック100は、締結部270で結合されるボルト部材280およびナット部材290をさらに含むことができる。この時、締結部270を基準にして、締結部の上端にはボルト部材280が位置して結合され、ナット部材290は締結部270の下端に位置して結合される。
さらに、図6を参照すれば、ボルト部材280とナット部材290が結合された時、ナット部材290が締結部270の下端に位置して結合されることによって、ナット部材290が上昇して本発明の放熱部材200は上部ケース150aに密着することになる。したがって、前記密着を通じて上部ケース150aと放熱部材200間の熱接触抵抗が最小化されるので、モジュール内発火時、熱エネルギーが迅速に放熱部材200および上部ケース150aを通じて伝達されて外部に放出できる。
以下、本発明の他の一実施形態による電池パック100に含まれる放熱部材400について説明する。前記で説明した放熱部材200と重複する内容は省略するようにする。
図7および図8は、本発明の電池パックに含まれる他の一実施形態による放熱部材を示した図である。
図7および図8を参照すれば、本実施形態による放熱部材400は、図2の放熱部材200が複数個形成されてそれぞれの放熱部材200が電池モジュール110の側面フレーム140と接する面の他面が互いに当接するように形成された一体型形状に形成することができる。したがって、図2の放熱部材200は、本実施形態による放熱部材400に含まれる第1熱分散部材451または第2熱分散部材455に対応すると把握することができる。
具体的に、本実施形態による放熱部材400は互いに連結されている第1フレーム411および第2フレーム415を含み、第1フレーム411の内面と第2フレーム415の内面が互いに対面するように折られているフレーム部材410、第1フレーム411の外面に付着されている第1断熱部材431、第2フレーム415の外面に付着されている第2断熱部材435、第1フレーム411の内面と第2フレーム415の内面の間に位置する中央断熱部材470、第1フレーム411の内面と中央断熱部材470の間に位置する第1熱分散部材451、および第2フレーム415の内面と中央断熱部材470の間に位置する第2熱分散部材455を含む。
また、断熱部材430は第1断熱部材431および第2断熱部材435を含むことができ、第1断熱部材431は第1フレーム411の外面に付着されており、第2断熱部材435は第2フレーム415の外面に付着されていてもよい。
また、断熱部材430はケイ素酸化物からなり得る。一例として、前記ケイ素酸化物はグラスファイバー(Glass fiber)のような素材からなり得る。但し、断熱部材430の素材はこれに限定されるのではなく、断熱性の高い素材であれば本実施形態に含まれる。これにより、本実施形態で、断熱部材430は隣接した電池モジュール110(図1)の間の熱転移を遮断することができる。
一方、中央断熱部材470は、第1フレーム411の内面と第2フレーム415の内面の間に配置することができる。より具体的に、中央断熱部材470は、第1熱分散部材451および第2熱分散部材455の間に配置することができる。
また、中央断熱部材470はケイ素酸化物からなり得る。一例として、前記ケイ素酸化物はグラスファイバー(Glass fiber)のような素材からなり得る。但し、中央断熱部材470の素材はこれに限定されるのではなく、断熱性の高い素材であれば本実施形態に含まれる。
これにより、本実施形態で、電池モジュール110(図1)から第1熱分散部材451および第2熱分散部材455に熱がそれぞれ伝達されても、中央断熱部材470が第1熱分散部材451と第2熱分散部材455の間の熱転移を遮断することができる。
一方、熱分散部材450は、第1熱分散部材451および第2熱分散部材455を含むことができる。より具体的に、第1熱分散部材451は第1フレーム411の内面と中央断熱部材470の間に配置し、第2熱分散部材455は第2フレーム415の内面と中央断熱部材470の間に配置することができる。
ここで、熱分散部材450は、フレーム部材410と垂直な方向に折り曲げられている面をさらに含むことができる。より具体的に、第1熱分散部材451は第1フレーム411に垂直な方向に折り曲げられている面をさらに含み、第2熱分散部材455は第2フレーム415に垂直な方向に折り曲げられている面をさらに含むことができる。ここで、第1熱分散部材451および第2熱分散部材455は互いに反対方向に折り曲げられていてもよい。
また、熱分散部材450は、アルミニウム(Al)、グラファイト(Graphite)などのような素材からなり得る。但し、熱分散部材450の素材はこれに限定されるのではなく、熱伝導性の高い素材であれば本実施形態に含まれる。
これにより、本実施形態で、電池モジュール110(図1)の上部は第1熱分散部材451の折り曲げられた面または第2熱分散部材455の折り曲げられた面にそれぞれ隣接するように位置して、電池モジュール110(図1)で発生した熱は第1熱分散部材451または第2熱分散部材455に容易に分散されることになる。
一方、本実施形態による放熱部材400は陥没部452、456を含み、陥没部452、456には冷却パッド300を形成することができる。この時、冷却パッド300は圧縮性冷却パッドであってもよい。本実施形態による放熱部材400の陥没部452、456上に冷却パッド300を形成することによって、放熱部材200と上部ケース150a上の熱接触抵抗を最少化し、密着度を高めることはもちろん、追加的な冷却構造を形成して電池パック内発火熱エネルギーの迅速な外部放出を可能にすることができる。また、本実施形態の放熱部材400は直角に折り曲げられ、放熱部材400が上部ケース150aと接する放熱部材400の一面の領域中、陥没部452、456以外の領域には複数の締結部481をさらに含むことができる。
特に、複数の締結部481を通じて上部ケース150aと放熱部材400および上部ケース150aと冷却パッド300間の密着が起こることになる。したがって、前記密着を通じて上部ケース150aと放熱部材400間の熱接触抵抗が最小化されるので、モジュール内発火時、熱エネルギーが迅速に放熱部材400および上部ケース150aを通じて伝達されて外部に放出できる。
従来の熱伝達のための構造は、電池パックのパックケースおよび上部ケース、特に、電池モジュールが位置する電池パック内部と隣接する上部ケースの一面と密着しなくて熱接触抵抗が増加する問題が発生した。また、前記熱接触抵抗が増加するほど電池パック内の熱エネルギーが迅速に伝達されないので、モジュール内発火時、熱エネルギーを迅速に伝達して発火を鎮圧するのに困難があった。
したがって、本発明の電池パックは放熱部材を含み、前記放熱部材は陥没部および前記陥没部上に形成される圧縮性冷却パッドを含むので、前記放熱部材は電池パックの上部ケースと密着することになる。また、前記放熱部材上に含まれる締結部を通じて上部ケースに対する放熱部材の密着程度を高め、前記放熱部材が前記上部ケースと固定されるようにして安定した熱伝達構造を形成することができる。
また、本発明による電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用することができるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールを使用することができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。
以上では本発明の好ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は前述の特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せず当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であることはもちろん、このような変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならない。
100:電池パック
110:電池モジュール
111:電池セル
118:モジュールフレーム
130:上部フレーム
140:側面フレーム
150:パックケース
150a:上部ケース
150b:側面ケース
200、400:放熱部材
250:陥没部
270:締結部
280:ボルト部材
290:ナット部材
300:冷却パッド
110:電池モジュール
111:電池セル
118:モジュールフレーム
130:上部フレーム
140:側面フレーム
150:パックケース
150a:上部ケース
150b:側面ケース
200、400:放熱部材
250:陥没部
270:締結部
280:ボルト部材
290:ナット部材
300:冷却パッド
Claims (12)
- 複数の電池モジュール、および
前記複数の電池モジュールを収納するパックケースを含み、
前記パックケースは上部ケースを含み、
前記上部ケースと接触するように形成された放熱部材をさらに含む、電池パック。 - 前記放熱部材は陥没部を含み、
前記陥没部には冷却パッドが形成される、請求項1に記載の電池パック。 - 前記冷却パッドは前記陥没部に嵌め合い結合され、
前記冷却パッドは前記陥没部と同一の大きさで形成される、請求項2に記載の電池パック。 - 前記冷却パッドは、シリコン系またはアクリル系素材から形成される、請求項3に記載の電池パック。
- 前記放熱部材は直角に折り曲げられ、
前記放熱部材が前記上部ケースと接する前記放熱部材の一面の領域中、陥没部以外の領域に複数の締結部をさらに含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の電池パック。 - 前記締結部で結合されるボルト部材およびナット部材をさらに含み、
前記ナット部材は前記締結部の下端に位置して結合される、請求項5に記載の電池パック。 - 前記ボルト部材および前記ナット部材が結合された時、前記ナット部材が上昇し前記放熱部材は前記上部ケースに密着する、請求項6に記載の電池パック。
- 前記電池モジュールはモジュールフレームを含み、
前記モジュールフレームは上部フレームおよび側面フレームを含み、
前記放熱部材は前記上部フレームおよび前記側面フレームと接する、請求項2に記載の電池パック。 - 前記放熱部材は、前記複数の電池モジュールのうちの隣接する電池モジュールの間に形成される、請求項8に記載の電池パック。
- 前記放熱部材は複数形成され、
前記複数の放熱部材が前記電池モジュールの側面フレームと接する面の他面は互いに対向するように形成される、請求項9に記載の電池パック。 - 前記放熱部材は、
互いに連結されている第1フレームおよび第2フレームを含み、前記第1フレームの内面と前記第2フレームの内面が互いに対面するように折られているフレーム部材、
前記第1フレームの外面に付着されている第1断熱部材、
前記第2フレームの外面に付着されている第2断熱部材、
前記第1フレームの内面と前記第2フレームの内面の間に位置する中央断熱部材、
前記第1フレームの内面と前記中央断熱部材の間に位置する第1熱分散部材、および
前記第2フレームの内面と前記中央断熱部材の間に位置する第2熱分散部材を含む、請求項1に記載の電池パック。 - 請求項1による電池パックを含むデバイス。
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KR102082384B1 (ko) * | 2015-08-11 | 2020-02-27 | 주식회사 엘지화학 | 금속 팩 케이스와 열전도 부재를 포함하는 전지팩 |
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